EP0227570A2 - Nouveau produit composite à base d'armature de fils ou fibres notamment tissés ou tricotés enroullée sur elle-meme ou en couches concentriques - Google Patents

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EP0227570A2
EP0227570A2 EP86450022A EP86450022A EP0227570A2 EP 0227570 A2 EP0227570 A2 EP 0227570A2 EP 86450022 A EP86450022 A EP 86450022A EP 86450022 A EP86450022 A EP 86450022A EP 0227570 A2 EP0227570 A2 EP 0227570A2
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EP
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fibers
composite product
new composite
wound
knitted
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Withdrawn
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EP86450022A
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Didier 4 Les Landes De Basson Melec
Claudine Peres
Claudine You
Geneviève Lefere
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Societe Civile dInventeurs SPML
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    • Y10T428/24124—Fibers

Definitions

  • the present invention relates to a new composite product formed from a frame or fabric of threads or fibers, in particular woven or knitted, and arranged in a winding or in concentric layers.
  • the object of the invention is to propose a new composite product having excellent multidirectional properties, in particular mechanical strength, combined with great lightness, and capable of a very large number of applications.
  • the subject of the invention is a new composite product characterized in that it consists of a frame or fabric comprising at least one ply wound on itself or several tubular plies arranged concentrically, of woven threads or fibers , non-woven or knitted, and reinforcing threads or fibers inserted between at least some of the successive layers of the ply (s), parallel to the axis of the rolled up or concentric structure and transverse to the latter, the assembly being molded in a binding matrix.
  • the materials and dimensions of the threads or fibers, the outline of the reinforcement, or fabric, and the nature of the resin of the bonding matrix, can vary within very large measures, depending on the applications envisaged, on the morphology of the part to be produced in the material and the particular stresses or constraints which this part must face.
  • the product is in the form of a more or less rigid block depending on the nature of the matrix and can be machined by any suitable means to obtain a single piece.
  • the product according to the invention in the embodiment illustrated in FIGS. 2 and 3, comprises one or more plies 1 superimposed on yarns or fibers, woven, non-woven or knitted.
  • the material of each thread or fiber can be arbitrary.
  • vegetable fibers based on cellulose such as flax or jute
  • animal fibers such as wool, horsehair, mineral fibers, such as asbestos, alumina, synthetic fibers
  • Each thread can be homogeneous or heterogeneous, that is to say made up of fibers of different natures.
  • Yarns of different characteristics can be arranged in the same sheet.
  • the overlapping layers may also be of different nature and characteristics.
  • the fibers for example in the case of nonwoven web, are mono- or multi-filament.
  • the ply (s) may be weavings, of any weave, identical or not, non-woven plies, of variable thickness or knitted fabrics of any mesh, picked or discarded.
  • Figure 1 illustrates a method of obtaining a special knit particularly suitable for obtaining a product according to the invention and remarkable for its excellent qualities of mechanical strength.
  • the texture of this knitted fabric is made up of a set of thrown stitches consisting of a pique, two cylinder cuffs and a flat weft with repetition every eight drops.
  • thermosetting resins in particular phenoplasts, aminoplasts, ethoxylines (epoxides), unsaturated polyesters, crosslinked polyurethanes, alkyds, thermoplastic resins, especially polyvinyls, polyolefins, cellulosics, polyamides, special polymers such as saturated polyesters, polyurethanes linear, polycarbonates, or elastomers such as silicone, natural and synthetic rubbers and their derivatives.
  • thermosetting resins in particular phenoplasts, aminoplasts, ethoxylines (epoxides), unsaturated polyesters, crosslinked polyurethanes, alkyds, thermoplastic resins, especially polyvinyls, polyolefins, cellulosics, polyamides, special polymers such as saturated polyesters, polyurethanes linear, polycarbonates, or elastomers such as silicone, natural and synthetic rubbers and their derivatives.
  • the sheet or sheets 1 are wound on themselves, manually or mechanically, in any number of more or less tight layers depending on the applications.
  • the matrix is then produced by different techniques such as dipping, or injection under pressure into a mold in which the wound web is placed beforehand.
  • Figures 2 and 3 illustrate a composite structure according to the invention comprising, in addition to the ply 1 wound on itself, reinforcing wires or fibers 2 arranged parallel to the y axis of the winding between the different layers of the spiral winding, and reinforcing wires or fibers 3 arranged radially in the winding.
  • the assembly 1, 2, 3 is embedded in a connecting matrix, not shown in FIGS. 2 and 3.
  • the resin used is obviously chosen so as to be compatible with the nature of the threads and fibers of the ply 1 and of reinforcement 2.3.
  • the resin can optionally be reinforced by a pulverulent or micronized filler, as is commonly done in the technique of composite materials.
  • the fibers 2,3 can be made of any of the materials used for the sheet 1, depending on the applications.
  • the wires 2 are, for example, polyaramid fibers, contiguous or not, in one or more layers between each turn of the winding.
  • the wires 3 (also polyaramid fibers, for example) start from the y axis and radiate outwards, being evenly distributed or not, over the entire thickness of the winding or not, depending on any local reinforcements. overall wound.
  • the wires 3 can cross said assembly diametrically, or along a rope, or along any other path.
  • the number, nature, arrangement and orientation of the wires or fibers 2 and 3 depend on the need to more or less strengthen the mechanical strength properties along one of the axes x, y, z, or some of these. ci, always according to the nature, the morphology and the destination of the part or parts which will be machined in the matrix block thus obtained.
  • the walls of the mold in which the winding is placed for the establishment of the injected matrix can be shaped as a function of the final part to be obtained.
  • Machining can be done by any suitable technique.
  • the establishment of the wires or fibers 2, 3 is done by hand or by machine.
  • the wires or fibers 2 can be put in place before or during the rolling of the sheet 1 on itself.
  • the son or fibers 3 are preferably put in place after rolling. These threads 3 can be sewing threads distributed along any lines, straight or not, crossing all or part of the wound mass, distributed more or less densely, locally only or over the entire periphery of the winding.
  • the reinforcing threads or fibers 3 may even consist of stitches of a ply stretched radially by picking or needling.
  • the reinforcing threads or fibers such as 2 and 3 can be of any kind, in the individual state, amalgamated, agglutinated or spun and be oriented in any way with respect to the web, depending on the applications.
  • these threads or fibers are arranged in the direction of the weft, or of the warp, or in any other direction.
  • the diameter of the threads and fibers is also variable.
  • the rate or proportion of yarns or fibers in relation to the base ply (s) depends on the efforts required of the product in its specific application.
  • the assembly can possibly be used "dry", that is to say without said bonding resin.
  • FIG. 4 illustrates an alternative embodiment of the composite product according to the invention, in which the single ply or the superposed plies are no longer wound on themselves but replaced by several independent tubular plies 4 arranged concentrically, and also provided with wires or reinforcing fibers arranged parallel to the axis of the concentric structure (wires 2), between the various plies 4 or between only some, as well as radially (wires 3).
  • the layers 4 may or may not have the same types or compositions.

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Abstract

L'invention concerne un nouveau produit composite à base d'armature de fils ou fibres, notamment tissés ou tricotés, enroulée sur elle-même ou en couches concentriques, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une armature ou étoffe comprenant au moins une nappe (1) enroulée sur elle-même ou plusieurs nappes tubulaires (4) disposées concentriquement, de fils ou fibres tissés, non-tissés ou tricotés, et de fils ou fibres de renfort (2,3) insérés entre au moins certaines des couches successives de la ou les nappes, parallèlement à l'axe de la structure enroulée ou concentrique et transversalement à cette dernière, l'ensemble étant moulé dans une matrice de liaison. Application à l'obtention de pièces à hautes résistances mécaniques.

Description

  • La présente invention a trait à un nouveau produit composite constitué à partir d'une armature ou étoffe de fils ou fibres, notamment tissés ou tricotés, et disposée suivant un enroulement ou suivant des couches concentriques.
  • Le but de l'invention est de proposer un nouveau produit composite présentant d'excellentes propriétés multidirectionnelles, notamment de résistance mécanique, alliées à une grande légèreté, et susceptibles d'un très grand nombre d'applications.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un nouveau produit composite caractérisé en ce qu'il est constitué d'une armature ou étoffe comprenant au moins une nappe enroulée sur elle-même ou plusieurs nappes tubulaires disposées concentriquement, de fils ou fibres tissés, non-tissés ou tricotés, et de fils ou fibres de renfort insérés entre au moins certaines des couches successives de la ou les nappes, parallèlement à l'axe de la structure enroulée ou concentrique et transversalement à cette dernière, l'ensemble étant moulé dans une matrice de liaison.
  • Les matériaux et dimensions des fils ou fibres, la contecture de l'armature, ou étoffe, et la nature de la résine de la matrice de liaison, peuvent varier dans de très larges mesures ,en fonction des applications envisagées, de la morphologie de la pièce à réaliser dans le matériau et des sollicitations ou contraintes particulières auxquelles cette pièce doit faire face.
  • Le produit se présente sous la forme d'un bloc plus ou moins rigide selon la nature de la matrice et peut être usiné par tous moyens appropriés pour obtenir une pièce monobloc.
  • D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre d'exemples de mise en oeuvre de l'invention, en référence, notamment, aux dessins annexés sur lesquels :
    • - Figure 1 illustre une technique spéciale de tricotage particulièrement apte à la réalisation de structures conformes à l'invention,
    • - Figure 2 représente schématiquement un ensemble multidirectionnel selon l'invention,
    • - Figure 3 est une vue en coupe perpendiculaire à l'axe y de la structure de la figure 2, et
    • - Figure 4 est une vue en coupe d'une structure selon l'invention formée à partir d'armatures tubulaires concentriques.
  • Le produit selon l'invention, dans le mode de réalisation illustré par les figures 2 et 3, comprend une ou plusieurs nappes 1 superposées de fils ou fibres, tissés, non-tissés ou tricotés. Le matériau de chaque fil ou fibre peut être quelconque. On peut utiliser, selon les applications, des fibres végétales à base de cellulose, comme le lin ou le jute, des fibres animales, comme la laine, le crin, des fibres minérales, comme l'amiante, l'alumine, des fibres synthétiques, par exemple polyesters, polyamides, acryliques, fluorocarbonées ou dérivées de la cellulose (acétate, rayonne, viscose, etc...). Il peut s'agir aussi de fibres dites à hautes performances telles que fibres de verre, de carbone, des fibres aramides. Chaque fil peut être homogène ou hétérogène, c'est-à-dire constitué de fibres de différentes natures.
  • Des fils de différentes caractéristiques (nature du matériau, structure, diamètre, etc...) peuvent être agencés dans une même nappe. Les nappes superposées peuvent être également de nature et caractéristiques différentes.
  • Les fibres , par exemple dans le cas de nappe non-tissée, sont mono- ou multi-filament.
  • La ou les nappe(s) peuvent être des tissages, d'armure quelconque, identiques ou non, des nappes non-tissées, d'épaisseur variable ou des tricotages à mailles quelconques, cueillies ou jetées.
  • La figure 1 illustre un mode d'obtention d'un tricot spécial particulièrement adapté à l'obtention d'un produit conforme à l'invention et remarquable par ses excellentes qualités de résistance mécanique.
  • Sur la figure 1, on a symbolisé en P et C, respectivement, les rangées d'aiguilles de deux fontures, de plateau et de cylindre, d'un métier à tricoter circulaire, huit chutes numérotées 1 à 8 étant illustrées sur cette figure.
  • La contexture de ce tricot est formée d'un ensemble de mailles jetées se composant d'un piqué, de deux revers cylindre et d'une trame plateau avec répétition toutes les huit chutes.
  • La contexture de ce tricot permet l'utilisation de fibres de polyaramide, plus connues sous la dénomination commerciale "KEVLAR", par exemple des fibres de numéro métrique 1/56.
  • Bien entendu, le choix du matériau, de la structure et des dimensions des fils ou fibres, de la contexture de la nappe 1 ou des nappes superposées, n'est pas arbitraire, il découle notamment de la nature, de la morphologie et des contraintes ou sollicitations auxquelles devront faire face la ou les pièces monoblocs réalisées dans ledit produit, ce choix étant laissé à l'appréciation de l'homme de l'art qui est parfaitement en mesure, en fonction de ses connaissances et des diverses propriétés des fils ou fibres utilisables, de déterminer les divers paramètres de la structure selon l'invention.
  • Il en est de même de la résine utilisable comme matrice de liaison. Comme résines on peut citer les résines thermodurcissables, notamment phénoplastes, aminoplastes, éthoxylines (époxydes), polyesters insaturées, polyuréthanes réticulées, alkydes, les résines thermoplastiques, notamment polyvinyliques, polyoléfines, cellulosiques, polyamides, les polymères spéciaux tels que polyesters saturés, polyuréthanes linéaires, polycarbonates, ou les élastomères tels que le silicone, les caoutchoucs naturels et synthétiques et leurs dérivés.
  • Avant la mise en place de la résine, la ou les nappes 1 sont enroulées sur elles-mêmes, manuellement ou mécaniquement, en un nombre quelconque de couches plus ou moins serrées selon les applications.
  • La matrice est ensuite réalisée par différentes techniques telles que le trempage, ou l'injection sous pression dans un moule dans lequel est mise en place, au préalable, la nappe enroulée.
  • Les figures 2 et 3 illustrent une structure composite selon l'invention comprenant, outre la nappe 1 enroulée sur elle-même, des fils ou fibres de renfort 2 disposés parallèlement à l'axe y de l'enroulement entre les différentes couches de l'enroulement spiralé, et des fils ou fibres de renfort 3 disposés radialement dans l'enroulement.
  • L'ensemble 1, 2, 3 est noyé dans une matrice de liaison, non représentée sur les figures 2 et 3. La résine utilisée est évidemment choisie de manière à être compatible avec la nature des fils et fibres de la nappe 1 et de renfort 2,3. La résine peut être, éventuellement, renforcée par une charge pulvérulente ou micronisée, comme cela se fait couramment dans la technique des matériaux composites.
  • Les fibres 2,3 peuvent être en l'un quelconque des matériaux utilisés pour la nappe 1, en fonction des applications.
  • Dans le mode de réalisation des figures 2 et 3, on obtient, après mise en place de la matrice de liaison, un bloc rigide ou semi-rigide selon la nature de la résine et qui présente d'excellentes caractéristiques de résistance mécanique, en particulier en flexion, flambage, compression, traction, cisaillement et à l'usure, dans les trois directions x,y et z du fait de la conjugaison, modulée à volonté, de la nappe 1 enroulée, des fibres de renfort 2 parallèles à l'axe y et des fibres de renfort 3 radiales.
  • Les fils 2 sont, par exemple, des fibres polyaramides, jointives ou non, en une ou plusieurs couches entre chaque tour de l'enroulement.
  • Les fils 3 (également des fibres polyaramides, par exemple) partent de l'axe y et rayonnent vers l'extérieur en étant régulièrement distribuées ou non, sur toute l'épaisseur ou non de l'enroulement, en fonction d'éventuels renforcements locaux dans l'ensemble enroulé.
  • Les fils 3 peuvent traverser ledit ensemble diamétralement, ou suivant une corde, ou suivant tout autre trajet.
  • Le nombre, la nature, la disposition et l'orientation des fils ou fibres 2 et 3 dépendent de la nécessité de renforcer plus ou moins les propriétés de résistance mécanique suivant l'un des axes x,y,z, ou certains de ceux-ci, toujours en fonction de la nature, de la morphologie et de la destination de la ou des pièces qui seront usinées dans le bloc matriciel ainsi obtenu.
  • Les parois du moule dans lequel est placé l'enroulement pour la mise en place de la matrice injectée peuvent être conformées en fonction de la pièce définitive à obtenir.
  • Avec un produit composite tel que celui des figures 2 et 3, on obtiendra une pièce qui conservera, même si sa morphologie est complexe et si elle comporte une cavité par exemple, en tout point de sa masse, d'excellentes qualités de résistance mécanique dans les trois directions x,y,z, la cavité, en particulier, n'introduisant aucune zone de faiblesse dans la pièce, du fait de la distribution spatiale des fils et fibres 2 et 3 et de ceux de la nappe 1.
  • Il est également à noter que dans le cas où l'axe de la pièce à usiner est confondu avec l'axe y de l'enroulement, on obtient une pièce remarquable en ce qu'elle présente des propriétés de résistance isotropes par rapport à son axe.
  • L'usinage peut se faire par toute technique appropriée.
  • La mise en place des fils ou fibres 2, 3 se fait à la main ou à la machine.
  • Les fils ou fibres 2 peuvent être mis en place avant ou pendant le roulage sur elle-même de la nappe 1.
  • Les fils ou fibres 3 sont de préférence mis en place après le roulage. Ces fils 3 peuvent être des fils de couture distribués suivant des lignes quelconques, rectilignes ou non, traversant tout ou partie de la masse enroulée, répartis de manière plus ou moins dense, localement seulement ou sur toute la périphérie de l'enroulement.
  • Dans le cas de nappe(s) 1 tricotée(s), les fils ou fibres de renfort 3 peuvent même être constitués par des mailles d'une nappe étirée radialement par crochetage ou aiguilletage.
  • D'une manière générale, quelle que soit la nappe 1 (tissée, non-tissée, tricotée), les fils ou fibres de renfort tels que 2 et 3 peuvent être de nature quelconque, à l'état individuel, amalgamé, agglutiné ou filé et être orientés de manière quelconque par rapport à la nappe, en fonction des applications.
  • Dans le cas d'une nappe 1 tissée, ces fils ou fibres sont disposés dans le sens de la trame, ou de la chaîne, ou suivant toute autre direction.
  • Le diamètre des fils et fibres est également variable.
  • Le taux ou proportion des fils ou fibres par rapport à la ou les nappes de base, dépend des efforts demandés au produit dans son application spécifique.
  • Dans le cas d'une nappe munie de coutures de renfort, l'ensemble peut éventuellement être utilisé "à sec", c'est-à-dire sans ladite résine de liaison.
  • La figure 4 illustre une variante de réalisation du produit composite selon l'invention, dans laquelle la nappe unique ou les nappes superposées ne sont plus enroulées sur elles-mêmes mais remplacées par plusieurs nappes tubulaires indépendantes 4 disposées concentriquement, et également munies de fils ou fibres de renfort disposés parallèlement à l'axe de la structure concentrique (fils 2), entre les diverses nappes 4 ou entre certaines seulement, ainsi que radialement (fils 3). Les nappes 4 ont ou non les mêmes natures ou compositions.
  • La mise en place d'une telle structure concentrique se fait, par exemple dans le cas de nappes 4 tricotées, par le tricotage simultané et en parallèle, autour du même axe, de plusieurs nappes tubulaires de diamètres différents qui se recouvrent concentriquement à la sortie du métier, les fils ou fibres de renfort 2 étant introduits aux endroits désirés , parallèlement à l'axe de la structure concentrique, au cours du tricotage.
  • Enfin, l'invention n'est évidemment pas limitée aux modes de réalisations représentés et décrits ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes.

Claims (6)

1. Nouveau produit composite caractérisé en ce qu'il est constitué d'une armature ou étoffe comprenant au moins une nappe (1) enroulée sur elle-même ou plusieurs nappes tubulaires (4) disposées concentriquement, de fils ou fibres tissés, non-tissés ou tricotés, et de fils ou fibres de renfort (2,3) insérés entre au moins certaines des couches successives de la ou les nappes, parallèlement à l'axe de la structure enroulée ou concentrique et transversalement à cette dernière, l'ensemble étant moulé dans une matrice de liaison.
2. Nouveau produit composite suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les fils ou fibres de renfort (2,3) sont constitués en tout ou partie par une ou plusieurs coutures réalisées dans la totalité ou une partie de la masse de la structure enroulée ou concentrique.
3. Nouveau produit composite suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la ou les nappes (1, 4) sont constituées par un tricot dont la contexture est formée d'un ensemble de mailles jetées se composant d'un piqué, de deux revers cylindriques et d'une trame plateau, avec répétition toutes les huit chutes.
4. Nouveau produit composite suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des fils ou fibres de renfort (3) disposées radialement à la structure enroulée ou concentrique, localement ou dans toute la masse de cette dernière.
5. Nouveau produit composite suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fils ou fibres de renfort (2,3) sont des fibres polyaramides.
6. Nouveau produit composite suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la résine comporte une charge pulvérulente ou micronisée.
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